JP6082313B2 - 光軸調整用の距離測定装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の光デバイスを組み合わせてモジュール化する際の実装・組立における光軸調整用の光デバイス端面間距離測定装置及び方法に関する。

光ファイバ同士の接続・組立や、光ファイバと光導波路の接続・組立など、複数の光デバイスを組み立てて、光モジュールを構成する光デバイス実装・組立工程においては、最終的な光学特性を確保するために、各光デバイスのコア部を伝搬する光が、最大値をとるように調整する光軸調整工程が必要である。この光軸調整工程においては、光デバイス同士はある程度の距離を近づけておく必要があるため、光ファイバ同士あるいは光ファイバと光導波路の端面間の距離を測定することは必要不可欠な工程の一つである。

ここで、光ファイバを接続対象の他の光ファイバや光導波路に近づける工程において、近づけ過ぎて接触をしてしまった場合、さらに近づけようとして力を加えると、光デバイス間に圧力がかかってしまう。そうすると、光ファイバまたは光導波路の接触面を傷つけてしまう恐れがある。

そこで、従来はファイバアレイブロックなどの比較的大きな光デバイスが光導波路へ接触した際に反発力が生じるのをばねの伸びなどで検知し、ばねの伸びにより光デバイス間の距離を推定して、間隔調整する方法などが採用されてきた（特許文献１参照）。

また、非接触で微小間隔距離を測定する手段としては、一般的に光ヘテロダイン干渉計による測定方法がある（特許文献２参照）。

特許第４１１１３６２号 特許第２１２６７６２号

しかし、特許文献１に記載の接触型の光デバイス間距離測定方法においては、接触した際の反発力がある程度大きくないと光デバイス間の距離を検知できない。そのため、光ファイバアレイブロックの場合のように、光デバイス周辺を構造部材で保護したような部品の場合は適用可能であったが、単芯のファイバに適用する場合には、力が一点に集中してしまい、ファイバまたは導波路がダメージを受けることが問題となる。したがって、接触型の光デバイス間距離測定方法は、その用途が限定されることになっていた。

一方、特許文献２に記載の、非接触測定である光ヘテロダイン干渉計による測定方法においては、参照光と物体光の位相差を検出する手段をもうける必要があること、偏波面制御をする必要があること、測定対象への入射光がコリメートされる必要があること、及び変調光を使う必要などがある。したがって、測定用装置自体が大掛かりなものとなり、光軸調整装置に組み込むには、光軸調整装置が大型化してしまうこと、非常にコスト高となること等の課題があった。

そこで、本発明では、光軸調整工程において、特別な測定系を別途構築することなしに、安価かつ高信頼な光デバイス端面間の距離を非接触で測定する装置を提供する。

本発明の請求項１に記載の発明は、信号処理部が、波長可変光源からの波長をスイープした出力光の波長情報を受信するステップと、前記信号処理部が、光検出器において測定した第１の光デバイス及び第２の光デバイスの第１の反射光強度を基に、波長スイープに同期した第１の同期反射光強度を検出するステップと、前記信号処理部が、自動ステージ上の第１の光デバイスを既知の量だけ光軸方向に移動させる移動命令をステージコントローラに送信するステップと、前記信号処理部が、前記波長可変光源からの波長をスイープした出力光の波長情報を受信するステップと、前記信号処理部が、前記光検出器において測定した移動後の前記第１の光デバイス及び前記第２の光デバイスの第２の反射光強度の情報を基に、波長スイープに同期した第２の同期反射光強度を検出するステップと、前記信号処理部が、前記第１の同期反射光強度と前記第２の同期反射光強度との差分に基づいて、前記第１の光デバイスと前記第２の光デバイスとの端面間距離を算出するステップとを含むことを特徴とする光デバイス端面間距離測定方法である。

また、本発明の請求項２に記載の発明は、信号処理部に、波長可変光源からの波長をスイープした出力光の波長情報を受信するステップと、光検出器において測定した第１の光デバイス及び第２の光デバイスの第１の反射光強度を基に、波長スイープに同期した第１の同期反射光強度を検出するステップと、自動ステージ上の第１の光デバイスを既知の量だけ光軸方向に移動させる移動命令をステージコントローラに送信するステップと、前記波長可変光源からの波長をスイープした出力光の波長情報を受信するステップと、前記光検出器において測定した移動後の前記第１の光デバイス及び前記第２の光デバイスの第２の反射光強度の情報を基に、波長スイープに同期した第２の同期反射光強度を検出するステップと、前記第１の同期反射光強度と前記第２の同期反射光強度との差分に基づいて、前記第１の光デバイスと前記第２の光デバイスとの端面間距離を算出するステップとを含む光デバイス端面距離測定方法を実行させることを特徴とするプログラムである。

以上の発明により、光デバイス同士を光軸調整して、実装・組立を行う際において、非接触でその端面間距離を測定することが可能となったため、光デバイスの破損を防ぎ、測定を効率化するとともに、製作時の歩留りを向上して低コスト化をすることができる。

光デバイスとの端面間の距離を測定する装置の原理説明図である。 透過光強度及び反射光強度と、入力光波長との関係を示す図表である。 端面間距離を変化させたときの、反射光強度と入力光波長との関係を示す図表である。 反射光強度と入力光周波数との関係を示す図表である。 各光デバイスに光ファイバを用い、波長変化に対する透過光強度の変動を計測した結果を示す図表である。 図５の２回の測定の差分を演算した結果を示す図である。 図１において原理として説明した光デバイス端面間距離測定装置を具体化した装置の構成を示す図である。 図７の光デバイス端面間距離測定装置における光デバイス端面間の距離測定手順をしめす図８のフロー図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

まず、本発明に係る第１の実施の形態について説明する。図１は、本発明の１実施形態である第１の光デバイスと第２の光デバイスとの端面間の距離を測定する装置１００の原理説明図である。

図１の光デバイス端面間距離測定装置１００は、距離の測定対象の２つの光デバイスについて、第１の光デバイス１２０として光ファイバ、第２の光デバイス１３０として光導波路を用いているが、本発明において測定対象となる光デバイスはこれには限定されないことは明らかである。光ファイバを光導波路に接続させるために導波路に接近しているときは、その距離は入射する光の可干渉距離より近い場合が通常であるので、光ファイバの端面１２１及び光導波路の端面１３１は、いわゆるファブリペロー・エタロンを構成することになる。ファブリペロー・エタロンは端面間の多重反射により波長選択性を持った反射特性、あるいは透過特性を持つことが知られている。

光デバイス端面間距離測定装置１００は、まず、波長可変レーザ１１０から、第１の光デバイス１２０（光ファイバ）にレーザ光が入射する。入射したレーザ光１０１は、第１の光デバイス１２０の第２の光デバイス１３０（光導波路）側の端面１２１をその一部が透過し、透過光１０２となる。また、透過光１０２の残りの光は端面１２１で反射して、反射光１０３となる。

次に透過光１０２は、第２の光デバイス１３０の第１の光デバイス側端面１３１をその一部が透過して、透過光１０４として第２の光デバイス１３０に入射する。一方で透過光１０２の残りの光は端面１３１で反射して反射光１０５となる。

さらに、反射光１０５は、端面１２１をその一部が透過して、透過光１０６として光ファイバ１０３に入射し、残りは端面１２１で反射して反射光１０７となる。その後、端面１２１及び１３１において透過と反射を繰り返していく。

次に、端面間距離の測定について述べる。図１の光デバイス端面間距離測定装置１００において、第１の光デバイス１２０の端面１２１の電界反射係数をｒ１、透過係数をｔ１、第２の光デバイス１３０の端面１３１の電界反射係数をｒ２、透過係数をｔ２とする。また、第１の光デバイス１２０の端面１２１と、第２の光デバイス１３０の端面１３１との間の距離をｌとすると、透過光の電界強度ｔ、及び戻り光の電界強度ｒは以下のようになる。

ここで、

ただし、第１の光デバイス１２０の端面１２１と、および第２の光デバイス１３０の端面１３１との間の媒質は屈折率１の空気であり、その間での光の減衰は無いものとし、入力光強度は１であるとしている。またλは伝搬媒質である空気中の光の波長（入力光）である。

透過光強度Ｔ、および反射光強度Ｒは、これらの式を用いて、
Ｔ＝｜ｔ｜^２ （３）
Ｒ＝｜ｒ｜^２ （４）
となる。

図２は、端面間距離ｌ＝５０μｍの場合の、透過光強度Ｔ及び反射光強度Ｒと、入力光波長λとの関係を示す図表である。図２から、透過光強度Ｔ及び反射光強度Ｒは、端面間距離ｌで決まる周期性をもった透過特性及び反射特性を有することがわかる。

次に、端面間距離ｌが変化した場合に、この周期性がどのように変化するかを示す。図３は、端面間距離ｌを２０μｍ、３０μｍ、４０μｍと変化させたときの、反射光強度Ｒと入力光波長λの関係を示す図表である。図３を参照すると、端面間距離ｌが短くなるほど、反射光強度Ｒの変動の周期が長くなることがわかる。

ファブリペロー・エタロンは、端面間の距離ｌが半波長の整数倍のときに透過光強度Ｒが最大になる。従って入力光の波長λのとき、
ｌ＝ｍλ／２ （ｍは整数） （５）
の条件で最大光強度が繰り返し得られる。入力光の周波数ｆは、
ｆ＝ｃ／λ （ｃ：高速） （６）
で表せるので、式（５）の条件は
ｆ＝ｍ・ｃ／２ｌ （７）
となる。つまり、周波数間隔Δｆとすると、
Δｆ＝ｃ／２ｌ （８）
で光強度は周期性を持つことがわかる。この光強度の周期間隔は、透過光でも反射光でも同じである。

図４は、反射光強度Ｒと入力光周波数ｆの関係を示す図表である。図４を参照すると、反射光強度Ｒが一定周波数間隔で変動していること、端面間距離ｌが短くなるほど周波数間隔Δｆが広がることが確認できる。

したがって、光強度の変動の周波数間隔が特定できれば、（８）式より端面間距離を特定することが可能になる。

以上より、入力光の波長変化に対する反射光（戻り光）、あるいは透過光の光強度変化を測定し、その変動周期を検出することで、端面間距離の測定が可能になる。

変動周期は、入力光源の波長をスイープさせ、スイープした波長に同期して光強度の変動を記録し、波長を周波数に変換後、ＦＦＴなどの周波数解析処理を行うことで検出することができる。

反射光強度を測定した場合、強度の最大値と最小値の比が大きくなり、変動周期の検出が容易になる。また透過光強度を測定した場合、図２に示したように反射光よりも光強度が強いため、Ｓ／Ｎの良い測定が期待できる。測定対象に応じ、高精度な測定が期待できる構成を選択すればよい。

端面間距離は変動の周期から検出すると述べたが、光強度の変動と波長の関係は式（１）〜（４）でわかっているので、測定した波長範囲において、例えばフィッティングや最小自乗法による回帰などの手法により端面間距離を検出しても良い。

図５は、第１の光デバイス、第２の光デバイスともに光ファイバを用い、波長変化に対する透過光強度の変動を計測した結果を示す図表である。図５においては、入力光源の波長をスイープさせ、スイープした波長に同期して光強度の変動を検出、記録し、取得した光強度の信号をスイープした波長に対応させて表示した結果を表した。端面間距離がｌの時とｌから１０ｎｍ変化させた時（ｌ＋１０ｎｍ）の光強度（透過光強度Ｔ）の変動を比較したものである。端面間距離が短くなると、光強度の変動周期が長くなっていることが、実測結果でも確認できる。

端面間距離が短くなると、光強度の変動周期は長くなる。そのため、光源波長をスイープする範囲内で１周期の変動が測定できなくなる。このようなデータからＦＦＴなどの演算により周期を検出するのは困難である。

解決方法の一つは式（３）、あるいは（４）に回帰させ、周期を算出する方法である。この場合、端面の反射率、透過率、媒体の屈折率、減衰率、入射光強度などが理想と異なるため、算出誤差になる恐れがある。ここで、誤差を低減するため、端面間距離の異なる２回の光強度の変動データから、端面間距離を検出することが有効である。前述の誤差の要因である、端面の反射率、透過率、媒体の屈折率、減衰率、入射光強度は、２回の測定において、いずれも同様の影響を及ぼすため、２回の結果の差分を取る、あるいは比を取るといった演算により、誤差を低減することが可能である。例えば式（３）、あるいは（４）より、更に端面間距離の異なる光パワー変動の差の式を導き、その式でフィッティングをすればよい。

図６は、図５の２回の測定の差分を演算した結果を示す図である。横軸は周波数に、また縦軸はリニアのパワー比に変換している。この結果を先の式で回帰した結果Ｌ＝３０．７ｕｍという結果が得られた。

図７は、図１において原理として説明した光デバイス端面間距離測定装置１００を具体化した装置７００の構成を示す図である。

図７の光デバイス端面間距離測定装置７００は、接続対象の第１の光デバイスとして光ファイバ７０１、接続対象の第２のデバイスとして光導波路７０２との間の距離ｌを測るものである。光デバイス端面間距離測定装置７００は、光ファイバ７０１及び光導波路７０２の接続対象光デバイスと、光源となる波長可変レーザ７１１、光サーキュレータ７１２、受講部である光検出器７１３、第１の光デバイスである光ファイバ７０１を光軸方向に移動する自動ステージ７１４、およびステージコントローラ７１５、及び光強度変動検出部７１７を含む信号処理部７１６を含む構成である。

本発明の光デバイス端面間距離測定装置７００では、反射、あるいは透過光強度変動のみを用いて端面間処理を算出可能である。そのため、光ヘテロダイン干渉計のように位相差を検出したり、偏波状態を制御する必要がなく、簡易な装置構成をとることが可能である。

図７の光デバイス端面間距離測定装置７００における光デバイス端面間の距離測定手順を、図８のフロー図を用いて説明する。

ステップＳ１において、波長可変レーザ７１１からの出力光の波長をスイープして信号処理部７１６に波長情報を入力し、光検出器７１３において光ファイバ７０１及び光導波路７０２からの反射光強度を測定する。同時に光検出器７１３からの情報を基に、強度変動検出部７１７において波長スイープに同期した反射光強度を検出、記録する。反射光は、光ファイバ７０１及び光導波路７０２において反射された後、光サーキュレータ７１２により光検出器７１３に送られる。

続いてステップＳ２において、信号処理部７１５からステージコントローラ７１５に移動命令を出し、自動ステージ７１４上の光ファイバ７０１を既知の量だけ光軸方向に移動させる。そして、ステップＳ３において、ステップＳ１と同様に、波長可変レーザ７１１の出力光波長をスイープし、光検出器７１３で反射光強度を測定する。また、強度変動検出部７１３で波長スイープに同期した反射光強度を検出、記録する。

ステップ４において、ステップＳ１およびＳ３で検出した光強度変動より、フィッティング、ＦＦＴなどの信号処理を用いて端面間距離ｌを算出する。

１００、７００ 光デバイス端面間距離測定装置
１１０、７１１ 可変波長レーザ
１２０ 第１の光デバイス
１３０ 第２の光デバイス
１２１、１３１ 光デバイス端面
１０１ 入力光
１０２、１０４、１０６、１０８ 透過光
１０３、１０５、１０７ 反射光
７０１ 光ファイバ
７０２ 光導波路
７１２ サーキュレータ
７１３ 光検出器
７１４ 自動ステージ
７１５ ステージコントローラ
７１６ 信号処理部
７１７ 強度変動検出器

Claims (2)

1. 信号処理部が、波長可変光源からの波長をスイープした出力光の波長情報を受信するステップと、
   前記信号処理部が、光検出器において測定した第１の光デバイス及び第２の光デバイスの第１の反射光強度を基に、波長スイープに同期した第１の同期反射光強度を検出するステップと、
   前記信号処理部が、自動ステージ上の第１の光デバイスを既知の量だけ光軸方向に移動させる移動命令をステージコントローラに送信するステップと、
   前記信号処理部が、前記波長可変光源からの波長をスイープした出力光の波長情報を受信するステップと、
   前記信号処理部が、前記光検出器において測定した移動後の前記第１の光デバイス及び前記第２の光デバイスの第２の反射光強度の情報を基に、波長スイープに同期した第２の同期反射光強度を検出するステップと、
   前記信号処理部が、前記第１の同期反射光強度と前記第２の同期反射光強度との差分に基づいて、前記第１の光デバイスと前記第２の光デバイスとの端面間距離を算出するステップと
   を含むことを特徴とする光デバイス端面間距離測定方法。
2. 信号処理部に、
   波長可変光源からの波長をスイープした出力光の波長情報を受信するステップと、
   光検出器において測定した第１の光デバイス及び第２の光デバイスの第１の反射光強度を基に、波長スイープに同期した第１の同期反射光強度を検出するステップと、
   自動ステージ上の第１の光デバイスを既知の量だけ光軸方向に移動させる移動命令をステージコントローラに送信するステップと、
   前記波長可変光源からの波長をスイープした出力光の波長情報を受信するステップと、
   前記光検出器において測定した移動後の前記第１の光デバイス及び前記第２の光デバイスの第２の反射光強度の情報を基に、波長スイープに同期した第２の同期反射光強度を検出するステップと、
   前記第１の同期反射光強度と前記第２の同期反射光強度との差分に基づいて、前記第１の光デバイスと前記第２の光デバイスとの端面間距離を算出するステップと
   を含む光デバイス端面距離測定方法を実行させることを特徴とするプログラム。

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